基于PLC变频恒压供水系统的设计.docx
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基于PLC变频恒压供水系统的设计
目录
1引言1
1.1选题背景1
1.2课题意义1
1.3国内外在该方向的研究概况1
1.4本文的主要工作3
2系统总体分析和设计4
2.1系统概述4
2.3恒压供水系统硬件设计4
2.3.1供水系统的构成4
2.3.2供水系统的主电路接线及其工作原理6
3器件的选型及介绍6
3.1可编程控制器PLC6
3.1.1简介PLC的产生7
3.1.2简介PLC的发展状况及其发展趋势7
3.1.3简介PLC的应用领域8
3.1.4PLC的工作过程8
3.2变频器9
3.2.1变频器的选型9
3.2.2变频器的特点10
3.3PID调节器11
3.4压力传感器的选择12
3.5元件表12
4PLC控制及编程14
4.1系统控制要求14
4.2控制系统的I/O点及地址分配14
4.3PLC系统选型15
4.4系统程序设计15
4.5PLC与变频器的接线16
结论18
谢辞19
参考文献20
附录21
外文资料26
1引言
水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能己成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。
主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时将会造成能量的浪费，同时有可能导致水管爆破和用水设备的损坏。
因此，开发基于PLC的变频恒压供水系统具有重要的现实意义。
1.1选题背景
目前,居民生活用水和工业用水增长幅度日益加大.由于居民日常生活用水会随季节、昼夜等时间段的不同而不同,如采用传统的供水方式则会出现供水和用水不平衡的现象,造成资源浪费。
传统的供水系统已经不能满足人们的要求.为了节约能源,可采用变频恒压供水方式对传统供水系统加以改造,以达到节能、控制简单、供水稳定、减少污染等目的。
1.2课题意义
本文介绍的是关于变频恒压供水系统的设计，因变频调速恒压供水技术其节能、安全、供水品高质等优点，在供水行业得到了广泛应用。
恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化（实际上为供水管网的压力变化）自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求是当今先进、合理的节能型供水系统。
在实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频器调速恒压供水设备，降低成本、保证产品质量等有着重要意义。
1.3国内外在该方向的研究概况
变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。
在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。
应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。
从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。
即1968年，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器（丹佛斯是传动产品全球五大核心供应商之一）后，随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像瑞典、瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术，法国的施耐德公司就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循坏方式”两种模式。
它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多七台电机（泵）的供水系统。
这类设备虽然说是微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统（如BA系统）和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。
目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外品牌的变频器控制水泵的转速，水管的管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器（PLC）及相应的软件予以实现；有的采用单片机及相应的软件予以实现。
但在系统的动态性能、稳定性能、抗干扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。
原深圳华为（现己更名为艾默生）电气公司和成都希望集团〔森兰牌变频器）也推出了恒压供水专用变频器（2.2kw-30kw），无需外接PLC和PID调节器，可完成最多四台水泵的循坏切换、定时起动、停止和定时循环（月麦丹佛斯公司的VLT系列变频器可实现七台水泵机组的切换）。
该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。
可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性（EMC）的变频但压供水系统的水压闭环控制的研究还是不够的。
因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践中。
采用变频调节以后，系统实现了软起动，电机起动电流从零逐渐增至额定电流，起动时间相应延长，对电网没有较大的冲击，减轻了起动机械转矩对于电机的机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。
这种调控方式以稳定水压为目的，各种优化方案都是以母管（市政来水管）进口压力保持恒定为条件。
实际上，给水泵站的出口压力允许在一定范围内变化。
因此这种调控方式缩小了优化范围，所得到的解为局部最优解，不能完全保证泵站始终工作在最优状态.
变频调速是优于以往任何一种调速方式（如调压调速、变极调速、串级调速等），是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术.它采用微机控制技术;电力电子技术和电机传动技术实现了工业交流电动机的无级调速，具有高效率、宽范围和高精度等特点。
以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本低能耗等诸多特点。
1.4本文的主要工作
本文采用电动机、变频器与可编程控制器（PLC）构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。
系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。
恒压供水就是利用PLC的PID或PI功能实现的工业过程的闭环控制。
即将压力控制检测的压力信号（0-5V）到变频器中，由PLC用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率调节信号调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。
2系统总体分析和设计
本章从系统概述、变频恒压供水的节能原理和系统的硬件设计三个方面对该系统进行了总体分析说明。
2.1系统概述
随着变频技术的发展和人们对生活饮水品质要求的提高，变频恒压供水系统一起环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。
变频恒压供水的调速系统可以实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求。
在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。
变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。
目前变频恒压供水系统正向高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化的方向发展。
追求高度智能化、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。
2.3恒压供水系统硬件设计
2.3.1供水系统的构成
图2.1供水系统方案图
如图2.1所示，整个系统由三台水泵，一台变频调速器，一台PLC和一个压力传感器及若干辅助部件构成。
三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，三台水泵协调工作以满足供水需要；变频供水系统中检测管路压力的压力传感器，本系统采用电阻式传感器（反馈0——5V电压信号）变频器是供水系统的核心，通过改变电机的频率实现电机的无级调速、无波动稳压的效果和各项功能。
变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、以及报警装置等部分组成。
执行机构
执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，图中的3个水泵均有2种运行方式：
调速泵：
是由变频调速控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。
恒速泵：
水泵运行只在工频状态，速度恒定。
它们用于在用水量增大而调速泵的最大供水能力不足时，对供水量进行定量的补充。
信号检测
在系统控制过程中，需要检测的信号包括自来水出水水压信号和报警信号：
①水压信号：
它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。
②报警信号：
它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常。
该信号为开关量信号。
控制系统
供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器（PLC系统）、变频器和电控设备三个部分。
①供水控制器：
它是整个变频恒压供水控制系统的核心。
供水控制器直接对系统中的工况、压力、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构（即水泵）进行控制。
②变频器：
它是对水泵进行转速控制的单元。
变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。
③电控设备：
它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电器元件组成。
用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换。
报警装置
作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。
由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断、出水超压、泵站内溢水等等造成的故障，因此必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。
2.3.2供水系统的主电路接线及其工作原理
图2.2电控系统主电路
由图2.2可知，电机有两种工作模式即：
在工频电下运行和在变频电下运行。
KM1、KM3、KM5分别为电动机M1、M2、M3工频运行时接通电源的控制接触器，KM2、KM4、KM6分别为电动机M1、M2、M3变频运行时接通电源的控制接触器。
热继电器（FR）是利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中的用作电动机的过载保护。
熔断器（FU）是电路中的一种简单的短路保护装置。
使用中，由于电流超过允许值产生的热量使串接于主电路中的熔体熔化而切断电路，防止电气设备短路和严重过载。
3器件的选型及介绍
本论文设计主要用到PLC（即可编程逻辑控制器），变频器，PID调节器，压力传感器及其他辅助元器件，本章主要介绍这些器件的选型及相关介绍。
3.1可编程控制器PLC
可编程控制器是60年代末在继电器系统上发展起来的，当时称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC。
3.1.1简介PLC的产生
20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，为了适应白热化的市场竞争要求，1968年美国通用汽车公司（GM）公开招标，对汽车流水线控制系统提出具体要求，归纳起来是：
（1）编程方便，可现场修改程序；
（2）维修方便，采用插件式结构；
（3）可靠性高于继电器控制装置；
（4）体积小于继电器控制盘；
（5）数据可直接送入管理计算机；
（6）成本可与继电器控制盘竞争；
（7）输入可以是交流市电（115V）（美国电压标准）
（8）输出为交流115V，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器、电磁阀等；
（9）扩展时原系统改变小；
（10）用户程序存储器至少能扩展到4KB。
这就是著名的“GM十条”。
1969年美国数字设备公司（DEC）中标后，制造出世界上第一台可编程序控制器。
（ProgrammableLogicController,简称PLC）。
16位和32位微处理器的应用，使PLC得到了惊人的发展，现在已经成为自动化技术的三大支柱之一。
3.1.2简介PLC的发展状况及其发展趋势
现在的PLC产品已经使用了16位、32位高性能微处理器，而且实现了多处理器的多通道处理，通信技术使PLC的应用得到进一步发展。
PLC的技术已经非常成熟。
目前，世界上有200多个厂家生产PLC产品。
比较著名的有美国的AB、通用（GE）、莫迪康（MODICON）、日本的三菱（MITSUBISHI）、欧姆龙（OMRON）、富士电机（FUJI）、松下电工、德国的西门子（SIEMENS）、法国的TE、施耐德（SCHNEIDER）、韩国的三星（SAMSUNG）、LG等。
PLC总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展。
具体表现在以下几方面：
（1）.向小型化、专用化、低成本方向发展
（2）.向大容量、高速度方向发展
（3）.智能型I/O模块的发展
（4）.基于PC的编程软件取代编程器
（5）.PLC编程语言的标准化
（6）.PLC通信的易用化.
（7）.组态软件与PLC的软件化
（8）.PLC与现场总线相结合
3.1.3简介PLC的应用领域
目前PLC在国内外广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保和娱乐等行业。
（1）顺序控制
例如：
注塑机械、印刷机械、订书机械、包装机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等等。
（2）运动控制（3）过程控制PLC能控制大量的过程参数，例如：
温度、流量、压力、液位和速度。
（4）数据处理（5）通信联网
3.1.4PLC的工作过程
PLC是在系统软件的控制和指挥下，采用循环顺序扫描的工作方式，其工作过程就是程序的执行过程，它分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段，如图3.1所示。
图3.1PLC的扫描工作过程
PLC在I/O处理方面必须遵守的规则如下：
①输入映像寄存器的数据，取决于输入端子板在上一个刷新时间的状态；
②程序如何执行，取决于用户所编的程序和输入映像寄存器、元件映像寄存器中存放的所需软元件的状态；
③输出映像寄存器（包含在元件映像寄存器中）的状态，由输出指令的执行结果决定。
④输出锁存器中的数据，由上一个刷新时间输出映像寄存器的状态决定；
⑤输出端子上的输出状态，由输出锁存器中的状态决定。
3.2变频器
3.2.1变频器的选型
变频器是把工频电源（50Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，它在变频调速恒压供水系统中起着非常重要作用，是水泵电机调速的执行者。
变频器可分为交-直-交变频器和交-交变频器两类。
交-直-交变频器是先将工频交流电通过整流器整流成直流；再把直流电经逆变器变成频率可调的交流电。
交-交变频器将电网的交流电直接变为电压和频率都可调的交流电。
由于交-交变频器的输出频率一般最高只能达到电源频率的1/2～1/3，所以它适用于低速大功率的传动，在泵与风机的调速节能中迄今很少使用。
变频器的型号很多，选择合适的变频器对系统的稳定运行有很大的帮助。
变频器容量的选择归根到底是选择其额定电流，总的原则是变频器的额定电流一定要大于拖动系统在运行过程中的最大电流。
在选择变频器容量时，有以下情况需要考虑：
（1）变频器驱动的是单一电动机，还是驱动多个电动机。
（2）电动机是直接在额定电压、额定频率下直接启动，还是软启动。
（3）驱动多个电动机时，是同时启动，还是分别启动。
大多数情况下是使用变频器驱动单一的电动机，并且是软启动，这时候变频器额定电流选择为电动机的额定电流的1.05～1.1倍即可。
当一台变频器驱动多台电动机时，多数情况下也是分别单独进行软启动。
这时候变频器额定电流的选择为多个电动机中最大电动机额定电流1.05～1.1倍即可。
总的来说，变频器的选用应该满足以下原则：
变频器的容量应大于负载所需的输出；变频器的电流大于电机的电流。
因电机的计算功率小于所选用功率，根据变频器的容量的选择方法进行计算。
根据设计的要求，本系统选用FR-A540系列变频器，根据以上理论，选用三菱FR-A540系列变频器。
该变频器采用先进磁通矢量控制方式，实现在线自动调整功能，调速比可达1：
120（0.5～60Hz）；可拆御风扇和接线端子，维护方便；柔性PWM，实现更低噪音运行；内置RS485通信口，可插扩展卡符合全世界主要通信标准；PID等各种功能适合各种应用场合。
应用三菱FR-A540系列变频器内置PID功能的PLC控制恒压供水系统，效率高，损耗小，调速供水节能效果突出，运行稳定，可靠性高，抗干扰能力强，精度高，动态响应快，体现了变频调速恒压供水的技术优势，取代了水塔、水箱、气压罐等，实现恒压供水，成为供水网的换代产品。
其参数如下表所示：
表3-1变频器的参数图
变频器
适用电
机容量
（KW）
输出额
定容量
（KVA）
输出额
定电流
（A）
过载能力
电源额
定输入
交流电
压/频率
冷
却
方
式
FR-F740
系列
5.5型
（三菱）
5.5
9.1
12
150%60s
200%0.5s
（反时限特
性）
3相
380V~480V
50Hz/60
Hz
强
制
风
冷
3.2.2变频器的特点
变频调速特别是变频调速技术的发展，已使世界范围内的电气传动控制领域发生了根本性的变革，它是计算机控制技术、智能控制技术、电力电子技术等的综合产物。
由于变频器具有高动态、高性能、大容量、节能等显著的特点，并以其优越的调速性能和节能优势得到广泛应用，并取得了客观的经济效益。
国内外的资料表明，使用变频设备可使水泵运行平均转速比工频转速降低20%，从而大大降低能耗，节能效率可达20%～40%。
节约了电费、降低了生产成本、减少了启动时对电网的冲击，改善了工作环境，并易于实现自动化，同时可根据生产工艺的要求控制的更准确、更快速。
变频恒压供水系统主要有以下几个特点:
1）高效节能
变频调速恒压供水设备使整个供水系统始终保持最优工作状态节电率可达35%—60%，这一特点已被广大用户所认识并带来效益
2）占地面积小，投人少，效率高
采用水池上直接安装立式泵，控制间只要安放一到两个控制柜，体积很小，整个系统占地面积非常小，可以节省投资。
另外不用水塔或天面水池、控制间不设专人管理、设备故障率极低等方面都实现了进一步减少投资，运行管理费低的特点，再加上变频供水的节能优点，都决定了此变频恒压供水系统占地面积小，投人少，效率高。
3）配置灵活，功能齐全，自动化程度高。
4）安全卫生
系统实行闭环供水后，用户的水全部由管道直接供给，取消了水塔、天面水池、气压罐等设施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。
5）管理简便
变频恒压供水系统具备了过流、过压、欠压、欠相、短路保护、瞬时停电保护、过载、失速保护、主泵定时轮换控制等功能，功能完善，自动运行，可以实现无人值守，节省了人力物力
根据设计的要求，本系统选用FR-A540系列变频器
3.3PID调节器
PID参数的整定,它是按照工艺对控制性能的要求,决定调节器的参数Kp,TI,TD。
控制表达式为:
其增量式为:
其中：
在恒压供水中常见的PID控制器的控制形式主要有两种:
（1）硬件型：
即通用PID控制器，在使用时只需要进行线路的连接和P、I、D参数及日标值的设定。
（2）软件型：
使用离散形式的PID控制算法在可编程序控制器（或单片机）上做PID控制器
此次使用硬件型控制形式。
PID指令的两个参数中其一是LOOP，为回路号，取值0~7，表示在一个程序中最多可设8个PID调节回路，也就是只能用8次PID指令。
第二个参数是TABLE，为参数或称回路表，TABLE用回路的起始地址表示。
该表是存储PID参数的相关单元。
该表的内容可见9-5所示。
表中含九个参数，用来控制和监视PID运算。
这些参数分别是过程变量当前值（PVn）过程变量当前值（PVn-1）给定值（SPn）输出值（Mn）增益（Kc）采样时间（Ts）积分时间（Ti）微分时间（Td）和积分项前值（MX）
为了让PID运算以预想的采样频率工作，PID指令必须用在定时发生的中断程序中，或着在主程序中被定时器控制以一定的频率执行。
采样时间也必须通过回路表输入到PID运算表中
表3-2PID指令回路表
偏移地址
域
格式
类型
描述
0
过程变量
（PVn）
双字—实数
输入
过程变量，必须为0.0~1.0之间
4
设定值
（SPn）
双字—实数
输入
给定值，必须为0.0~1.0之间
8
输出值
（Mn）
双字—实数
输入/输出
输出值，必须为0.0~1.0之间
12
增益
（Kc）
双字—实数
输入
增益是比例常数，可正可负
16
采样时间
（Ts）
双字—实数
输入
单位为秒，必须是正数
20
积分时间
（Ti）
双字—实数
输入
单位为分钟，必须是正数
24
微分时间
（Td）
双字—实数
输入
单位为分钟，必须是正数
28
积分项前值
（MX）
双字—实数
输入/输出
积分项前项，必须为0.0~1.0之间
32
过程变量前值
（PVn-1）
双字—实数
输入/输出
最近一次PID运算的过程变量值
3.4压力传感器的选择
压力传感器使用CY-YZ-1001型绝对压力传感器。
该传感器采用硅压阻效应原理实现压力测量的力－电转换。
传感器由敏感芯体和信号调理电路组成，当压力作用于传感器时，敏感芯体内硅片上的惠斯登电桥的输出电压发生变化，信号调理电路将输出的电压信号作放大处理，同时进行温度补偿、非线性补偿，使传感器的电性能满足技术指标的要求。
该传感器的量程为0～2.5MPa，工作温度为5℃～60℃，供电电源为28±3V（DC）。
3.5元件表
水泵：
M1、M2选用40-160（I）A型，M3选用40-160（I）型，参数见表3.1示。
热继电器的选择：
选用最小的热继电器作为电机的过载保护热继电器FR，FR1FR2可选用规格其型号为TK-E02T-C，额定电流5－8A，FR3可选用规格其型号为TK-E02U-C，额定电流为6－9A
熔断器的选择：
在控制回路中熔断器FU选用RT18系列。
接触器的选择：
对于接触器KM选择的是规格SC-E03-C,功率3
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